透水混凝土力學與透水性能研究

王治山，張志鵬

(1.中交一航局第二工程有限公司，青島 266071；2.湖北工業(yè)大學材料與化學工程學院 ，武漢 430068)

透水混凝土又稱多孔混凝土，是由粗集料、水泥基膠結(jié)料經(jīng)拌合形成的具有連續(xù)孔結(jié)構(gòu)的混凝土，故具有透氣、透水和質(zhì)量輕等特點。最初由歐美、日本等一些發(fā)達國家開始研究并將其應(yīng)用于廣場、步行街、道路兩側(cè)和中央隔離帶、公園道路以及停車場等[1]。與采用普通混凝土鋪裝的路面相比具有明顯的綠色環(huán)保性能。

為了體現(xiàn)環(huán)保節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展，在北京2008年奧運場館部分停車場、上海2010年世博會各主題公園、青島2014世界園藝博覽會園區(qū)內(nèi)的人行道以及嶗山路、勁松九路、勁松七路等市政項目上也大量使用了透水混凝土，并達到了良好的效果。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：山東山鋁水泥有限公司生產(chǎn)的PO 42.5R級水泥，密度3 150 kg/m3；硅灰：山東建科院提供；高效摻合料：山東建科院生產(chǎn)的NC-H型高效摻合料；碎石：5～10 mm玄武巖碎石，緊密密度1 540 kg/m3，表觀密度2 620 kg/m3；砂：威海乳山河砂，細度模數(shù)2.6，含泥量1.8%，堆積密度1 510 kg/m3，級配區(qū)屬Ⅱ區(qū)；減水劑：山東宏仁生產(chǎn)的脂肪族系高效減水劑，減水率22%。

1.2 方法

1.2.1 試件的成型

采用GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》中的振實臺振實法，將拌合物一次性裝入試模，并使拌合物高出試模，振實20 s，再用抹刀抹平，并用合適的顆粒填入凹陷部分。

1.2.2 表觀孔隙率測試方法

用標準立方體抗壓試件，通過測定試件完全浸泡在水中的質(zhì)量m1與烘干后質(zhì)量m2以及試件的實測體積，采用以下公式計算試件的連續(xù)孔隙率P

式中,m1為試件完全浸泡在水中的質(zhì)量，kg；m2為試件烘干后質(zhì)量，kg ；V為試件實測體積，m3。

1.2.3 透水系數(shù)的測定

依據(jù)CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》中關(guān)于透水系數(shù)的測定并參照JC/T945—2005 透水磚的透水系數(shù)的測試方法，制作了一套簡易的Darcy滲透試驗裝置。制作φ100 mm×50 mm試件，通過測定一定時間內(nèi)透過試件的水的體積測定透水系數(shù)。

透水系數(shù)應(yīng)按下式計算

式中,kT為水溫為T℃時試樣的透水系數(shù)(mm/s)；Q為時間t秒內(nèi)滲出的水量(mm3)；L為試樣的厚度(mm)；A為試樣的上表面積(mm2)；H為水位差(mm)；t為時間(s)。

1.3 試驗路線

由于透水混凝土是采用單級配集料作為骨架，水泥漿體包裹在粗集料顆粒的表面，作為集料間的膠結(jié)層，形成一種類蜂窩狀的骨架-孔隙結(jié)構(gòu)的多孔混凝土材料，如圖1所示，內(nèi)部含有較多的孔隙，且多為肉眼可見的大孔，透水性良好；透水混凝土的強度則主要由包裹在集料表面的硬化的水泥漿體將集料粘接以及存在在集料之間的鉗擠、機械咬合的作用而形成[2]。因此，一方面與普通混凝土相比，其強度的變化規(guī)律有明顯的不同；另一方面由于特殊的施工工藝要求，其工作性也不能用傳統(tǒng)的坍落度、保水性等來表征。

論文主要對強度、孔隙率、透水系數(shù)等性能指標的影響因素及其相互關(guān)系進行探討。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強度的影響因素分析

試驗主要從水膠比(W/C)、硅灰以及高效摻合料的摻量、齡期等幾個方面來探討透水混凝土的強度變化規(guī)律，具體配合比見表1。

表1 試驗配合比

不同水膠比下透水混凝土強度的變化趨勢試驗結(jié)果見圖2。

由圖2可見，透水混凝土的7 d強度與28 d強度的增長趨勢基本一致，在水膠比小于0.30時，隨著水膠比的增加，透水混凝土的7 d、28 d均呈現(xiàn)增長趨勢，當水膠比超過0.30時，隨著水膠比的增加7 d、28 d強度又分別呈現(xiàn)了下降的趨勢，整體呈現(xiàn)出拋物線式的變化趨勢。

這是因為:透水混凝土的破壞過程與裂縫的發(fā)展有密不可分的關(guān)系[3]，裂縫的發(fā)展與普通混凝土的裂縫發(fā)展有一定的差別，普通混凝土可以看作是“破裂”，而透水混凝土則是“破碎”，因為普通混凝土試件破壞后存在很多的破裂面，破壞物多是片狀結(jié)構(gòu)，而透水混凝土破壞后的破壞物成松散顆粒狀[2]。所以，透水混凝土的強度主要取決于集料之間接觸點的粘結(jié)力，要提高其強度就是增加接觸的數(shù)量與接觸面積并提高粘結(jié)強度。

水膠比過小時，拌合物的漿體過于干燥，包裹在集料表面的漿體不均勻，且疏松，接觸點的粘結(jié)力較小，強度變低；水膠比過大時，雖然漿體均勻，結(jié)構(gòu)也變得致密，但是隨著膠凝材料水化反應(yīng)的進行，不斷有水分經(jīng)毛細管道散失，增加了體系中的連續(xù)孔結(jié)構(gòu)的數(shù)量，降低了體系的整體強度。

由圖3、圖4可知，在摻加高效摻合料與硅灰后，透水混凝土的強度均出現(xiàn)了先增加后降低的趨勢，同水膠比的影響類似。摻加高效摻合料的透水混凝土28 d抗壓強度增幅達20%，摻加硅灰后28 d強度增幅達到25%。這是因為摻加兩種摻合料后，水泥漿體的界面結(jié)構(gòu)得到改善，密實度得到提高，粘結(jié)骨料的漿體強度提高，從而提高了混凝土的強度。

然而由于兩者尤其是硅灰的比表面積較大，在水膠比一定的情況下，摻合料的增加使得透水混凝土拌合物的漿體變得干硬，包裹在集料表面的漿體反而更不均勻，也更為疏松，因此在摻量較大時透水混凝土的強度反而出現(xiàn)降低的情況。從圖3、圖4可知，NCH高效摻合料的最佳摻量為12%，硅灰的最佳摻量為4%。

2.2 孔隙率與透水系數(shù)的關(guān)系

采用5～10 mm單級配碎石，試驗孔隙率為15%、20%、25%、30%時，孔隙率設(shè)計值與實測值、透水系數(shù)的關(guān)系，找出實測孔隙率與設(shè)計孔隙率的關(guān)系，透水系數(shù)與實測孔隙率的關(guān)系，試驗結(jié)果如圖5、圖6所示。

實測孔隙率為連通孔隙率與半封閉孔隙率之和，但對透水系數(shù)有貢獻的只有連通孔隙[4]。當設(shè)計孔隙率較小時，配合比中膠凝材料用量相對增加，膠凝材料的增加提高了封閉孔隙形成的幾率，連通孔隙相應(yīng)變少；反之則連通孔隙與半封閉孔隙增加，即實測孔隙率增加。

從圖6可以看出，隨著實測孔隙率的增長，透水系數(shù)也呈現(xiàn)指數(shù)增長趨勢。同樣，當設(shè)計孔隙率增加時，透水系數(shù)也隨之增加。

3 結(jié) 論

a.隨著水膠比的增加(0.26～0.38)，透水混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)先增加再降低的趨勢，當水膠比為0.30時達到最佳。

b.摻加高效摻合料、硅灰，可以明顯提高透水混凝土的強度，但摻量要經(jīng)試驗確定，兩者的合理區(qū)間宜為7%～10%、4%～6%，當摻量低于或高于這個區(qū)間，抗壓強度均會降低。

c.對透水系數(shù)起作用的是連通孔隙，設(shè)計孔隙率越大，透水混凝土的透水系數(shù)也就越高；隨著孔隙率增大，孔隙率的實測值與設(shè)計值之間的偏差逐漸降低。

[1] 寒河江昭夫,和美廣喜.調(diào)濕性コンワリ-ト[J].コンワリ-ト工學，1998，36(1)：37-40.

[2] 程 娟.透水混凝土配合比設(shè)計及其性能的實驗研究[D].浙江：浙江工業(yè)大學，2006.

[3] 馮乃謙.混凝土大全[M].北京：科學出版社，2001.

[4] 徐仁崇，桂苗苗，劉君秀,等.透水混凝土配合比參數(shù)選擇及設(shè)計方法研究[J].混凝土，2011,262(8):109-112.